基于空間載波的雙方向剪切散斑干涉系統(tǒng)及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于空間載波的雙方向剪切散斑干涉系統(tǒng)及測量方法，可從兩個 測量方向同時檢測被測物的缺陷，尤其適用于航空航天中復(fù)合材料近表面缺陷的無損檢 測。
【背景技術(shù)】
[0002] 剪切散斑干涉技術(shù)是一種全場、非接觸、高靈敏度的光學(xué)測量技術(shù)，由于其可直接 測量物體形變的導(dǎo)數(shù)，消除了測量過程中被測物體的剛性位移，因此，可將缺陷處的不均勻 突變以相位圖條紋畸變的形式凸顯出來。此外，剪切散斑干涉技術(shù)還具有光路裝置簡單、抗 震性能良好和對測量環(huán)境要求較低等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域。
[0003] 然而剪切散斑干涉技術(shù)只對其剪切方向上的形變敏感。由于被測物缺陷的加載 形變有可能是多方向的，比如存在多個不同方向的長條形缺陷，如果利用傳統(tǒng)單方向剪切 散斑干涉系統(tǒng)檢測缺陷，只能檢測在剪切方向上有加載形變的缺陷；如果被測物中的缺陷 只產(chǎn)生與剪切方向垂直的加載形變，則無法檢測這些缺陷。為了全面檢測被測物中多種不 同的缺陷，用傳統(tǒng)的單方向剪切散斑干涉技術(shù)只能多次檢測。但多次檢測的方式并不能保 證被測物的形變量前后的一致，為多種不同缺陷的后續(xù)統(tǒng)一量化處理帶來困難。雖然也可 以采用多個單方向剪切散斑干涉系統(tǒng)同時測量被測物，但這樣會使增加測量過程的復(fù)雜程 度，而且各個系統(tǒng)之間的測量信息難以精確匹配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于空間載波的雙方向剪 切散斑干涉系統(tǒng)及測量方法，以期實(shí)現(xiàn)對被測物的缺陷的雙方向同步檢測，使測量系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)簡單、測量方法便捷。
[0005] 本發(fā)明的為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明基于空間載波的雙方向剪切散斑干涉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：
[0007] 分別設(shè)置第一光源和第二光源作為照明光源；所述第一光源和第二光源分別經(jīng)擴(kuò) 束同時照射被測面，在所述被測面的表面形成漫反射光；
[0008] 所述漫反射光依次經(jīng)成像透鏡、光闌和4f系統(tǒng)前置透鏡之后，在分光棱鏡中按5 : 5分束，形成光軸互成90度的第一光束和第二光束；
[0009] 所述第一光束經(jīng)第一濾光片濾除由第二光源在被測面上形成的漫反射光，并獲得 由第一光源在被測面上形成的第一光源漫反射光，所述第一光源漫反射光經(jīng)第一邁克爾遜 剪切裝置獲得具有X方向剪切的漫反射光；
[0010] 所述第二光束經(jīng)第二濾光片濾除由第一光源在被測面上形成的漫反射光，并獲由 第二光源在被測面上形成的第二光源漫反射光，所述第二光源漫反射光經(jīng)第二邁克爾遜剪 切裝
[0011] 置獲得具有Y方向剪切的漫反射光；
[0012] 所述具有X方向剪切的漫反射光和具有Y方向剪切的漫反射光經(jīng)共同依次經(jīng)分光 棱鏡和4f系統(tǒng)后置透鏡，并共同投照在CCD靶面上，獲得雙方向剪切散斑干涉圖像；
[0013] 所述第一光源和第二光源是具有不同的波長的激光光源。
[0014] 本發(fā)明利用基于空間載波的雙方向剪切散斑干涉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被測物缺陷雙方向檢 測的方法的特點(diǎn)是：對所述被測面進(jìn)行加載使所述被測面在加載前后發(fā)生形變；通過采集 分別獲得所述CCD靶面上在被測面形變前后的雙方向剪切散斑干涉圖像；對所述雙方向剪 切散斑干涉圖像進(jìn)行傅里葉變換，獲得所述雙方向剪切散斑干涉圖像的頻譜；對所述頻譜 進(jìn)行濾波處理，分別提取獲得含有X方向剪切的漫反射光復(fù)振幅的頻譜部分和含有Y方向 剪切的漫反射光復(fù)振幅的頻譜部分；
[0015] 將所述含有X方向剪切的漫反射光復(fù)振幅的頻譜部分進(jìn)行反傅立葉變換，獲得含 有X方向剪切的漫反射光的復(fù)振幅，通過復(fù)振幅相位提取得到X方向剪切的漫反射光的相 位信息，將被測面在變形前和變形后X方向剪切的漫反射光的相位信息相減，得到表征被 測面的離面變形X方向?qū)?shù)的相位差，從而得到被測面X方向的檢測結(jié)果；
[0016] 將所述含有Y方向剪切的漫反射光復(fù)振幅的頻譜部分進(jìn)行反傅立葉變換，獲得含 有Y方向剪切的漫反射光的復(fù)振幅，通過復(fù)振幅相位提取得到Y(jié)方向剪切的漫反射光的相 位信息，將被測面在變形前和變形后Y方向剪切的漫反射光的相位信息相減，得到表征被 測面的離面變形Y方向?qū)?shù)的相位差，從而得到被測面Y方向的檢測結(jié)果。
[0017] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)被測物缺陷雙方向檢測的方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：
[0018] 步驟1 :由所述CCD靶面采集被測面變形前雙方向剪切散斑干涉圖像的強(qiáng)度 I (χ, y)
[0019] 步驟2 :計(jì)算獲得雙方向剪切散斑干涉圖像的空間頻譜
[0020] 對于所述雙方向剪切散斑干涉圖像的強(qiáng)度I (X，y)進(jìn)行傅里葉變換得到由式（1) 表征的雙方向剪切散斑干涉圖像的空間頻譜FT [I (X，y)]:
[0021] FT [I (x, y) ] =A (fx, fy) +B (fx-fcx, fy) +B* (fx+fcx, fy) +C (fx, fy-fcy) +C* (fx, fy+fcy) (I)
[0022] 式⑴中：
[0023] A(fx，fy)為空間頻譜中含有背景光信息的低頻項(xiàng)，其位于頻譜的中心坐標(biāo)（0, 0) 的周圍區(qū)域上，帶寬為獻(xiàn)乂[21，2匕2]，獻(xiàn)乂卜]為取最大值計(jì)算；
[0024] B(fx_fM，fy)和BYd x, fy)互為共輒，帶寬為2ful，其含有X方向剪切的漫反射光 的相位信息；
[0025] C (fx，fy-f；y)和Cf (fx，fcy+fy)互為共輒，帶寬為2fu2，其含有Y方向剪切的漫反射光 的相位信息；
[0026] ful為X方向剪切的漫反射光的低頻部分的截止頻率；
[0027] fu2為Y方向剪切的漫反射光的低頻部分的截止頻率；
[0028] 為具有X方向剪切的漫反射光的空間載波頻率；
[0029] f；y為具有Y方向剪切的漫反射光的空間載波頻率；
[0030] 匕和f ￥分別為頻譜空間的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；并有：
[0031] B(fx_fcx，fy)是在以坐標(biāo)（f cx，0)為中心的區(qū)域上；
[0032] B* (fx+fcx，fy)是在以坐標(biāo)（-fcx，0)為中心、的區(qū)域上；
[0033] C(fx，fy_fcy)是在以坐標(biāo)（0, fcy)為中心的區(qū)域上；
[0034] Cf (fx，fcy+fy)是在以坐標(biāo)（0, _fcy)為中心的區(qū)域上；
[0035] 步驟3 :設(shè)置濾波窗口提取含有相位信息的頻率部分
[0036] 提取fy)頻譜作為含有X方向剪切的漫反射光的相位信息的頻譜，根據(jù) B(f x_fM，fy)頻譜的形狀設(shè)置的圓形濾波窗口是以（fM，〇)為中心、以f ul為半徑；
[0037] 提取C(fx，fy_f J頻譜作為含有Y方向剪切的漫反射光的相位信息的頻譜，根據(jù) c(fx，fy-fg頻譜的形狀設(shè)置的圓形濾波窗口是以（o，fg為中心、以f u2為半徑；
[0038] 步驟4 :分別計(jì)算X方向剪切的漫反射光和Y方向剪切的漫反射光的相位信息
[0039] 令：X方向剪切的漫反射光的相位信息為ΡΛ.?>，3士
[0040] Y方向剪切的漫反射光的相位信息為·?^>，外則有：
[0041 ]
[0042] 式⑵中：b (X，y) exp (j2 JT fcx) = FT fy) ]，c(x，y)exp (j2 JT fcy)= ?1'1[(：把，40]，其中？1'1[*]為傅里葉逆變換運(yùn)算，1111卜]為取虛部運(yùn)算，1^卜]為取 實(shí)部運(yùn)算；
[0043] 步驟5 :分別計(jì)算X方向剪切的漫反射光和Y方向剪切的漫反射光的變形前后的 相位差，獲得雙方向檢測結(jié)果
[0044] 在被測面變形后采集一幅雙方向剪切散斑干涉圖像，按照步驟2、步驟3和步驟4 對被測面形變后的雙方向剪切散斑干涉圖像進(jìn)行相位信息提取，并由式（3)計(jì)算獲得被測 面變形前后雙方向剪切散斑干涉圖像的相位差分別為A x(X，y)和Ay(X，y)，
[0045] 傷
[0046] 式（3)中，KUy)為被測面變形后X方向剪切的漫反射光的相位信息；
[0047] < 為被測面變形后Y方向剪切的漫反射光的相位信息；
[0048] 以所述相位差A(yù)x(x，y)和Ay( x，y)分別表征被測面形變后在X剪切方向和Y剪 切方向上被測面的缺陷，作為檢測結(jié)果。
[0049] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0050] 1、本發(fā)明采用空間載波技術(shù)，在兩個方向上引入載波，實(shí)現(xiàn)了頻譜復(fù)用，可從單幅 剪切散斑圖獲取兩個剪切方向的相位信息，實(shí)現(xiàn)對被測物雙方向同步檢測。
[0051] 2、本發(fā)明使用兩個不同波長的激光器和相應(yīng)的濾波片，使兩個剪切方向上的光互 不干擾。
[0052] 3、本發(fā)明采用邁克爾遜干涉系統(tǒng)作為剪切裝置和載波裝置，使系統(tǒng)緊湊、簡單、易 調(diào)節(jié)。
[0053] 4、本發(fā)明嵌入了 4f系統(tǒng)，提高了單次測量的面積，可調(diào)高測量效率。
【附圖說明】
[0054] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；
[0055] 圖2為本發(fā)明方法中計(jì)算獲得的空間頻譜圖；
[0056] 圖3a和圖3b為針對本發(fā)明方法所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)1的測量結(jié)果；